Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Methode zur Auslegung von Klebverbindungen in schwingbeanspruchten

Konstruktionen des Landmaschinen- und Anlagenbaus

In Konstruktionen aus dickeren Blechen (ca. 3-10 mm), wie sie z.B. im Landmaschinen- und Anlagenbau häufig vorkommen, findet die Klebtechnik bislang nur wenig Anwendung, obwohl sie in anderen Einsatzgebieten bereits ein etabliertes Fügeverfahren darstellt.

Die Zuverlässigkeit dieser Konstruktionen, insbesondere im Bereich des Schwingmaschinenbaus, wird weitgehend von der Sicherheit gegen Ermüdungsbrüche bestimmt. Ein wesentliches Problem ist die geringe Erfahrung im Umgang mit Klebtechnik in diesen Branchen. Geklebte Verbindungen zeichnen sich allgemein durch hervorragendes Verhalten unter Schwingbelastung aus, was auch an dickeren Stahlblechen in einer vorangegangenen KMU-Studie (FOSTA) in Stichprobenversuchen nachgewiesen werden konnte.

Ziel des geplanten Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Auslegung geklebter Fügestellen in Konstruktionen mit dickwandigen Stahlbauteilen. Es soll analysiert werden, welche Beanspruchungen und Randbedingungen vorherrschen und welcher Aufwand erforderlich ist, diese meist geschweißten Stahlkonstruktionen auf klebtechnisches Fügen anzupassen. Dazu soll ein praxisrelevantes Bauteil aus den genannten Branchen in Zusammenarbeit mit dem PbA ausgewählt werden. Dieses wird auf seine mechanischen und medialen Beanspruchungszustände hin analysiert und daraufhin so umkonstruiert, dass eine klebtechnische Verbindung eingesetzt werden kann. Dieses Bauteil kann als Referenz dienen und hilft bei der Erstellung eines Lastenheftes für zukünftige potentielle Anwendungen bei anderen Bauteilen.

Parallel dazu erfolgen mit Schwerpunkt Wöhler- und Lebensdauerversuche an Überlappstößen aus höherfesten Stählen sowie an den o.g. Bauteilen unter Einbezug von Medien- und Korrosionseinflüssen. Es soll quantifiziert werden, inwieweit die Festigkeit höherfester Stähle unter Schwingbelastung durch Kleben im Vergleich zum Schweißen effizienter ausgenutzt und somit durch Wanddickenreduzierung höhere Leichtbaugrade erzielt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

In Kombination mit höherfesten Stählen erscheint die Klebtechnik für Strukturen aus dickeren Blechen im Landmaschinen- und Anlagenbau als eine erfolgversprechende Alternative für Schweißverbindungen.

Mit Zunahme der Fließgrenze kann die Tragfähigkeit der untersuchten Überlappstöße mit höherfesten Klebstoffen (Schubfestigkeit > 40 MPa) bei quasi-statischer Beanspruchung gesteigert werden. Die Festigkeit geschweißter Verbindungen wird jedoch nicht erreicht.

Das Potential der Klebtechnik liegt im Schwingfestigkeitsverhalten. Bedingt durch die geringere Kerbwirkung und den daraus resultierenden flacheren Verlauf der Wöhlerlinien (Neigung im Bereich von k ≈ 7) weisen die Klebverbindungen im High-Cycle-Fatigue-Bereich ab etwa N = 2 ∙ 105 Lastwechseln eine merklich höhere Ermüdungsfestigkeit gegenüber den Schweißverbindungen (Flankenkehlnaht- und Lochschweißungen (Neigung k ≈ 2,7) auf. Der gegenüber Schweißverbindungen höhere Ermüdungswiderstand zeigt sich auch in Betriebsfestigkeitsversuchen.

Zu berücksichtigen sind Witterungs- und Umwelteinflüsse, deren Auswirkungen bei korrosionskritischen Belastungen durch Abdichtungen verhindert werden müssen.

Durch geeignete Fixiertechniken kann die Handhabungsfestigkeit bei noch nicht gehärteten Klebschichten in der Fertigung sichergestellt werden. Zweckmäßig sind vor allem Nietverfahren.

Es wird ein Konzept zur Ermittlung der Bauteil-Wöhlerlinie und der Bauteilbetriebsfestigkeit mit Nennschubspannungen nach der FKM-Richtlinie vorgeschlagen. Der Ansatz orientiert sich an der klassischen Vorgehensweise zur Auslegung und zum Nachweis der Festigkeit von Maschinenelementen. Die bislang formulierten Klebstoff-Festigkeits- und Konstruktionskennwerte basieren auf einem begrenzten Untersuchungsumfang. Weitere wichtige werkstoff- und konstruktionsbedingte Einflüsse müssen systematisch untersucht werden, um ihre Wirkung in einem Nachweis-Konzept gemäß der FKM-Richtlinie zu implementieren.